綠色設計法在機械設計制造中的應用 Application of Green Design Method in Mechanical Design and Manufacture

楊祥和 YANG Xiang-he

摘要： 合理使用機械產品可以有效提高工程質量和工作效率，機械化水平的不斷提高，致使機械設備大幅度增加。隨著人們環保意識的增強，機械制造業環境問題越來越受到重視。機械產品的不科學生產會產生大量廢棄物，成為環境污染源頭。為促進機械制造業的可持續發展，迫切需要將低碳環保和節約資源的現代綠色設計理念融入機械產品設計與制造中。基于此，本次針對綠色設計法在內燃機等機械設計制造中的應用必要性與具體應用展開分析和探討。

Abstract： The rational use of mechanical products can effectively improve the quality of engineering and work efficiency， the level of mechanization， resulting in a substantial increase in mechanical equipment. Along with the enhancement of people’s environmental protection consciousness， the environmental problem of machinery manufacturing industry is paid more and more attention. Unscientific production of mechanical products will produce a large number of waste products and become a source of environmental pollution. In order to promote the sustainable development of machinery manufacturing industry， it is urgent to integrate the modern green design concept of low-carbon environmental protection and resource saving into the design and manufacture of machinery products. Based on this， this paper analyzes and discusses the necessity and concrete application of green design method in the design and manufacture of internal combustion engine and other machinery.

關鍵詞： 機械設計制造;綠色設計法;內燃機;具體應用

Key words： machine design and manufacture;green design method;internal combustion engine;concrete application

中圖分類號：TH161+.21? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）22-0216-02

0? 引言

現如今，綠色設計與輕量化已成為內燃機等機械設計制造的一種趨勢。綠色設計是在可持續發展觀念下，將資源利用與環境友好性有機結合起來，在滿足人類生活生產、工作以及社會發展的前提下，盡可能減少對環境資源的損害與消耗，從而實現經濟效益、生態價值和社會利益之間最佳平衡為目標而進行的一種生產活動。工業化與機械化水平不斷提升下，資源短缺以及環境惡化等問題逐漸顯現，在這樣的發展背景下，為了有效降低內燃機等機械設計過程中廢水、廢渣等廢料的產生，減少污染源，有必要充分認識綠色設計在內燃機等機械設計制造中應用的獨特之處，基于綠色環保視角與理念探索內燃機等機械設計制造的新路徑。

1? 機械設計制造中的綠色設計

綠色設計是以保護環境為前提，在可持續發展的指導下，從人與自然、環境與社會等方面進行科學規劃，實現經濟效益和生態效益的最大化。在機械設計與制造中，綠色設計理念與原則是指以環境資源為核心，充分考慮環境與經濟間的關系，綜合考慮成本與環境等相關因素，通過對現有材料的充分利用減少資源浪費等問題，在機械產品整個生命周期內減少對社會與環境的影響，促進機械設計制造的新型環保與可持續發展。目前綠色設計主要遵循“3R”原則，Reduce、Reuse、Recycle，即減少環境污染、減少能源消耗、產品或零部件的回收再利用。

在內燃機等機械設計與制造中，設計階段在確保內燃機等機械產品設計符合標準的前提下，兼顧考慮質量、經濟、環境等因素，設計中充分考慮最終階段的產品或零部件回收循環和再利用，例如拆卸設計，以確保內燃機等機械產品的環境和資源特性;設計制造者應具有節約和環保意識，在內燃機等機械產品生產周期內實現綠色設計制造，充分利用資源，盡量避免零部件等資源的浪費;應不斷改革和創新傳統機械設計制造方法，遵循綠色設計法則。

2? 綠色設計在機械設計制造中的應用必要性

2.1 機械行業發展的需要

在工業化、機械化發展的推動下，能源問題成為制約工業發展的重要因素，為實現工業的可持續發展，需貫徹落實和推進綠色設計，改善能源消耗與資源浪費，擯棄傳統高消耗、高污染機械設計方式。比如在內燃機設計中，常出現柴油分子霧化不良、燃燒不充分等現象，造成能源大量浪費的同時污染環境，可以通過合理應用綠色設計法，在內燃機設計過程中在機車柴油箱輸油管道外側配置電熱裝置，利用妨害材料進行包裹，安裝WLS-TJ環保型機車柴油節油器等，改善內燃機燃油霧化性能，充分發揮綠色設計的環保作用。

2.2 社會發展的需要

綠色設計是啟動綠色發展的第一杠桿，也是綠色發展的靈魂，是在深刻認識人與自然關系基礎上，實現自然資源持續利用、生態環境持續改善、生產設計科技含量不斷提升的現代設計潮流。在工業設計不斷商業化的發展趨勢下，設計成為鼓動人們無節制消費的重要介質，環境污染與能源消耗問題日益加重。內燃機在國家戰略發展中占據著不可替代的地位，優化升級傳統工業機械設計方式，利用綠色設計理念保證機械設計的低碳與環保重要程度不言而喻，在機械設計制造中高度融入綠色設計法可以極大程度減少機械設計制造對環境造成的污染，促進社會環境的良好發展。

2.3 生態保護的需要

可持續發展、生態安全、環境友好是綠色設計的總要求，工業化的過度商業化致使固體廢棄物、水污染、噪聲污染等大量污染源被動產生，嚴重破壞了人與自然間的和諧發展。運用綠色設計法克服傳統設計的不足，從機械產品的概念形成到生產制造、使用、廢棄后的產品回收、重復利用等各個階段貫徹推進落實綠色設計理念，可以實現工業生產與環境保護的雙向推進。以一臺內燃發動機為例，采用綠色設計理念的內燃發動機更多采用的是鋁合金等輕質材料，在零部件模塊和結構優化上比傳統小排量汽油發動機有了很大的突破，重量可以減輕20kg以上，燃油消耗也可以相對應地下降10%左右，CO2排放量也可相對應地減少，既滿足工業需求，又實現了對生態環境的保護。

3? 綠色設計在機械設計制造中的具體應用

3.1 綠色材料的選擇和應用

綠色材料是指在原料選取、產品制造使用、再循環利用、廢物處理等環節中實現生產設計與生態環境和諧共處且不會對人類健康造成威脅的一種材料，在機械設計和制造過程中可以實現低污染、低消耗。在內燃機動力機械設計制造中，面對復雜且規模龐大的綠色原材料，設計者需從環保角度入手進行篩選，避免在設計制造過程中因含有害物質材料的使用對后期回收和環境產生不利影響。因此。在內燃機設計制造的材料選取上，應遵循綠色設計法，選擇與環境具有高兼容性的綠色環保材料，比如選用鋁合金、鎂合金、工程塑料等輕質材料作為結構材料，對內燃發動機的零部件進行結構優化;在模具材料的選擇方面，用物理腐蝕防護代替化學腐蝕防護，用對環境影響較小的鍍鎳磷代替電鍍鉻等，從原材料選取源頭上為機械設計制造奠定綠色設計基礎。

3.2 可拆卸性設計

機械設計是機械制造業的基礎與核心，是決定機械性能和壽命的重要因素。隨著工業機械的設計復雜化，現代機械產品使用的材料日益多樣化，機械零部件不可拆卸重復利用會造成大量的資源浪費，并且加劇廢棄物處理難度，在傳統的機械設計與制造中，更多的是關注零件的相容性，而很少考慮產品的可拆卸性。而在機械綠色設計制造中，可拆卸性是產品設計的重要內容之一，可以有效節約資源，實現資源的再利用。因此，將可拆卸性作為機械設計制造的重要衡量與評價標準，可以使產品報廢后可以好到相匹配的零部件，便于材料與零部件的循環使用與回收。其中可拆卸原則設計主要包含實現零部件的多功能性、避免因材料零件損壞的相互作用而造成的設計缺陷、減小零件的多樣性等。盡量避免采用焊接、鉚接等鏈接方式，在機械設計階段融入成熟的拆卸方式，盡量采用螺紋連接、鏈接等，便于后期機械產品的拆卸，既便于機械產品的組合又便于拆卸，深刻融入綠色設計法的綠色設計理念。

3.3 綠色設計規范標準

機械產品的綠色設計標準需明確產品生產標準，做好產品評價技術規范，在設計時充分考慮各方面因素的影響，從綠色理念層面著手設計制造，針對具體機械產品的設計制造制定產品評價技術規范，以此作為機械產品生產制造完成后的檢驗標準。以內燃機為例，在進行內燃機綠色設計制造過程中，應設計規定相應的規范標準，比如內燃機質量管理體系應當按照GB/T19001要求編制;能源屬性應按照GB/T23331要求編制;污染排放物應達到國家和地方污染物排放標準;應按照GB/T24256開展內燃機產品綠色設計工作;確保內燃機產品的耐用性、模塊化和可維修性、可拆卸性、易回收性、可再制造性等;內燃機燃料類型可再利用率需超過85%;內燃機產品尿素燃料消耗比為6.5%等。通過相應的規范標準實現內燃機的綠色設計制造與綠色生產標準規范。

3.4 綠色設計制造技術

微量潤滑技術開始時多用于鑄件加工領域，隨著時間的推移，在鋼件和鋁制件中的應用日益增多，這項融入了綠色設計制造理念的先進技術可以為機械設計制造創造潔凈的工作環境，實現“綠色”生產。以某內燃機缸蓋生產線為例，單臺加工中心大約需要400L/min冷卻潤滑液進行循環，而20臺機床則需8000L/min冷卻潤滑液完成循環，計算可知生產一個缸蓋消耗量約4.3L，而采取微量潤滑技術僅需10mL以下即可，可以有效地節省資源，而且可以明顯地降低水的消耗，省去冷卻潤滑液系統回路的循環泵，大大降低制造過程中的總能耗，在生產制造過程中實現了綠色設計方法。

4? 總結

綜上所述，綠色設計法為內燃機等機械設計制造提供了新的發展契機，綠色設計理念集成了資源節約、環境保護等多方面的優勢，對機械設計制造發展具有重要推動作用。綠色設計法在機械設計制造中還處于不斷探索和深入的過程，只有在機械設計制造中充分考慮人與自然、社會與環境間的因素，深入探索綠色設計法，明確保護環境的設計理念，才能制造出壽命更長久、質量更高、污染更小的機械產品，實現機械設計制造的可持續發展。

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